使用Python的Twisted框架构建非阻塞下载程序的实例教程

 更新时间:2016年05月25日 10:57:45   作者:likebeta   我要评论
Twisted的异步工作模式使其在非阻塞情况下可以拥有较高的性能,这里我们来看一下使用Python的Twisted框架构建非阻塞下载程序的实例教程,包括服务器端与客户端的实践.

第一个twisted支持的诗歌服务器
尽管Twisted大多数情况下用来写服务器代码,但为了一开始尽量从简单处着手,我们首先从简单的客户端讲起。
让我们来试试使用Twisted的客户端。源码在twisted-client-1/get-poetry.py。首先像前面一样要开启三个服务器:

python blocking-server/slowpoetry.py --port 10000 poetry/ecstasy.txt --num-bytes 30
python blocking-server/slowpoetry.py --port 10001 poetry/fascination.txt
python blocking-server/slowpoetry.py --port 10002 poetry/science.txt

并且运行客户端:

python twisted-client-1/get-poetry.py 10000 10001 10002

你会看到在客户端的命令行打印出:

Task 1: got 60 bytes of poetry from 127.0.0.1:10000
Task 2: got 10 bytes of poetry from 127.0.0.1:10001
Task 3: got 10 bytes of poetry from 127.0.0.1:10002
Task 1: got 30 bytes of poetry from 127.0.0.1:10000 
Task 3: got 10 bytes of poetry from 127.0.0.1:10002
Task 2: got 10 bytes of poetry from 127.0.0.1:10001 
... 
Task 1: 3003 bytes of poetry
Task 2: 623 bytes of poetry
Task 3: 653 bytes of poetry
Got 3 poems in 0:00:10.134220

和我们的没有使用Twisted的非阻塞模式客户端打印的内容接近。这并不奇怪,因为它们的工作方式是一样的。
下面,我们来仔细研究一下它的源代码。
注意:我们开始学习使用Twisted时会使用一些低层Twisted的APIs。这样做是为揭去Twisted的抽象层,这样我们就可以从内向外的来学习Tiwsted。但是这就意味着,我们在学习中所使用的APIs在实际应用中可能都不会见到。记住这么一点就行:前面这些代码只是用作练习,而不是写真实软件的例子。
可以看到,首先创建了一组PoetrySocket的实例。在PoetrySocket初始化时,其创建了一个网络socket作为自己的属性字段来连接服务器,并且选择了非阻塞模式:

self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
self.sock.connect(address)
self.sock.setblocking(0)

最终我们虽然会提高到不使用socket的抽象层次上,但这里我们仍然需要使用它。在创建完socket后,PoetrySocket通过方法addReader将自己传递给 reactor:

# tell the Twisted reactor to monitor this socket for reading
from twisted.internet import reactor
reactor.addReader(self)

这个方法给Twisted提供了一个文件描述符来监视要发送来的数据。为什么我们不传递给Twisted一个文件描述符或回调函数而是一个对象实例?并且Twisted内部没有任何与这个诗歌服务相关的代码,它怎么知道该如何与我们的对象实例交互?相信我,我已经查看过了,打开twisted.internet.interfaces模块,和我一起来搞清楚是怎么回事。

Twisted接口
在twisted内部有很多被称作接口的子模块。每个都定义了一组接口类。由于在8.0版本中,Twisted使用zope.interface作为这些类的基类。但我们这里并不来讨论它其中的细节。我们只关心其在Twisted的子类,就是你看到的那些。
使用接口的核心目的之一就是文档化。作为一个python程序员,你肯定知道Duck Typing。(python哲学思想:“如果看起来像鸭子,听起来像鸭子,就可以把它当作鸭子”。因此python对象的接口力求简单而且统一,类似其他语言中面向接口编程思想。) 翻阅twisted.internet.interfaces找到方法的addReader定义,它的定义在IReactorFDSet中可以找到:

def addReader(reader):
  """
  I add reader to the set of file descriptors to get read events for.
  @param reader: An L{IReadDescriptor} provider that will be checked for
          read events until it is removed from the reactor with
          L{removeReader}.
  @return: C{None}.
  """

IReactorFDSet是一个Twisted的reactor实现的接口。因此任何一个Twisted的reactor都会一个 addReader的方法,如同上面描述的一样工作。这个方法声明之所以没有self参数是因为它仅仅关心一个公共接口定义,self参数仅仅是接口实现时的一部分(在调用它时,也没有显式地传入一个self参数)。接口类永远不会被实例化或作为基类来继承实现。
技术上讲,IReactorFDSet只会由reactor实现用来监听文件描述符。具我所知,现在所有已实现reactor都会实现这个接口。
使用接口并不仅仅是为了文档化。zope.interface允许你显式地来声明一个类实现一个或多个接口,并提供运行时检查这些实现的机制。同样也提供代理这一机制,它可以动态地为一个没有实现某接口的类直接提供该接口。但我们这里就不做深入学习了。
你可能已经注意到接口与最近添加到Python中虚基类的相似性了。这里我们并不去分析它们之间的相似性与差异。若你有兴趣,可以读读Python项目的创始人Glyph写的一篇关于这个话题的文章。
根据文档的描述可以看出,addReader的reader参数是要实现IReadDescriptor接口的。这也就意味我们的PoetrySocket也必须这样做。
阅读接口模块我们可以看到下面这段代码:

class IReadDescriptor(IFileDescriptor):
  def doRead():
    """
    Some data is available for reading on your descriptor.
    """

同时你会看到在我们的PoetrySocket类中有一个doRead方法。当其被Twisted的reactor调用时,就会采用异步的方式从socket中读取数据。因此,doRead其实就是一个回调函数,只是没有直接将其传递给reactor,而是传递一个实现此方法的对象实例。这也是Twisted框架中的惯例—不是直接传递实现某个接口的函数而是传递实现它的对象。这样我们通过一个参数就可以传递一组相关的回调函数。而且也可以让回调函数之间通过存储在对象中的数据进行通信。
那在PoetrySocket中实现其它的回调函数呢?注意到IReadDescriptor是IFileDescriptor的一个子类。这也就意味任何一个实现IReadDescriptor都必须实现IFileDescriptor。若是你仔细阅读代码会看到下面的内容:

class IFileDescriptor(ILoggingContext):
  """
  A file descriptor.
  """
  def fileno():
    ...
  def connectionLost(reason):
    …

我将文档描述省略掉了,但这些函数的功能从字面上就可以理解:fileno返回我们想监听的文件描述符,connectionLost是当连接关闭时被调用。你也看到了,PoetrySocket实现了这些方法。
最后,IFileDescriptor继承了ILoggingContext,这里我不想再展现其源码。我想说的是,这就是为什么我们要实现一个logPrefix回调函数。你可以在interface模块中找到答案。
注意:你也许注意到了,当连接关闭时,在doRead中返回了一个特殊的值。我是如何知道的?说实话,没有它程序是无法正常工作的。我是在分析Twisted源码中发现其它相应的方法采取相同的方法。你也许想好好研究一下:但有时一些文档或书的解释是错误的或不完整的。

更多关于回调的知识
我们使用Twisted的异步客户端和前面的没有使用Twisted的异步客户非常的相似。两者都要连接它们自己的socket,并以异步的方式从中读取数据。最大的区别在于:使用Twisted的客户端并没有使用自己的select循环-而使用了Twisted的reactor。 doRead回调函数是非常重要的一个回调。Twisted调用它来告诉我们已经有数据在socket接收完毕。我可以通过图7来形象地说明这一过程:

2016525104943506.png (346×276)

每当回调被激活,就轮到我们的代码将所有能够读的数据读回来然后非阻塞式的停止。Twisted是不会因为什么异常状况(如没有必要的阻塞)而终止我们的代码。那么我们就故意写个会产生异常状况的客户端看看到底能发生什么事情。可以在twisted-client-1/get-poetry-broken.py中看到源代码。这个客户端与你前面看到的同样有两个异常状况出现:
这个客户端并没有选择非阻塞式的socket
doRead回调方法在socket关闭连接前一直在不停地读socket
现在让我们运行一下这个客户端:

python twisted-client-1/get-poetry-broken.py 10000 10001 10002

我们出得到如同下面一样的输出:

Task 1: got 3003 bytes of poetry from 127.0.0.1:10000
Task 3: got 653 bytes of poetry from 127.0.0.1:10002 
Task 2: got 623 bytes of poetry from 127.0.0.1:10001
Task 1: 3003 bytes of poetry 
Task 2: 623 bytes of poetry
Task 3: 653 bytes of poetry
Got 3 poems in 0:00:10.132753

可能除了任务的完成顺序不太一致外,和我前面阻塞式客户端是一样的。这是因为这个客户端是一个阻塞式的。
由于使用了阻塞式的连接,就将我们的非阻塞式客户端变成了阻塞式的客户端。这样一来,我们尽管遭受了使用select的复杂但却没有享受到其带来的异步优势。
像诸如Twisted这样的事件循环所提供的多任务的能力是需要用户的合作来实现的。Twisted会告诉我们什么时候读或写一个文件描述符,但我们必须要尽可能高效而没有阻塞地完成读写工作。同样我们应该禁止使用其它各类的阻塞函数,如os.system中的函数。除此之外,当我们遇到计算型的任务(长时间占用CPU),最好是将任务切成若干个部分执行以让I/O操作尽可能地执行。
你也许已经注意到这个客户端所花费的时间少于先前那个阻塞的客户端。这是由于这个在一开始就与所有的服务建立连接,由于服务是一旦连接建立就立即发送数据,而且我们的操作系统会缓存一部分发送过来但尚读不到的数据到缓冲区中(缓冲区大小是有上限的)。因此就明白了为什么前面那个会慢了:它是在完成一个后再建立下一个连接并接收数据。
但这种小优势仅仅在小数据量的情况下才会得以体现。如果我们下载三首20M个单词的诗,那时OS的缓冲区会在瞬间填满,这样一来我们这个客户端与前面那个阻塞式客户端相比就没有什么优势可言了。

抽象地构建客户端
首先是,这个客户端竟然有创建网络端口并接收端口处的数据这样枯燥的代码。Twisted理应为我们实现这些例程性功能,省得我们每次写一个新的程序时都要自己去实现。这样做特别有用,可以将我们从异步I/O涉及的一些棘手的异常处理中解放出来(参看前面的客户端) , 如果要跨平台就涉及到更多更加棘手的细节。如果你哪天下午有空,可以翻翻Twisted的WIN32实现源代码,看看里面有多少小针线是来处理跨平台的。
另一问题是与错误处理有关。当运行版本1的Twisted客户端从并没有提供服务的端口上下载诗歌时,它就会崩溃。当然我们是可以修正这个错误,但通过下面我们要介绍Twisted的APIs来处理这些类型的错误会更简单。
最后,那个客户端也不能复用。如果有另一个模块需要通过我们的客户端下载诗歌呢?人家怎么知道你的诗歌已经下载完毕?我们不能用一个方法简单地将一首诗下载完成后再传给人家,而在之前让人家处于等待状态。这确实是一个问题,但我们不准备在这个部分解决这个问题—在未来的部分中一定会解决这个问题。
我们将会使用一些高层次的APIs和接口来解决第一、二个问题。Twisted框架是由众多抽象层松散地组合起来的。因此,学习Twisted也就意味着需要学习这些层都提供什么功能,例如每层都有哪些APIs,接口和实例可供使用。接下来我们会通过剖析Twisted最最重要的部分来更好地感受一下Twisted都是怎么组织的。一旦你对Twisted的整个结构熟悉了,学习新的部分会简单多了。
一般来说,每个Twisted的抽象都只与一个特定的概念相关。例如,第四部分中的客户端使用的IReadDescriptor,它就是"一个可以读取字节的文件描述符"的抽象。一个抽象往往会通过定义接口来指定那些想实现这个抽象(也就是实现这个接口)的对象的形为。在学习新的Twisted抽象概念时,最需要谨记的就是:
多数高层次抽象都是在低层次抽象的基础上建立的,很少有另立门户的。
因此,你在学习新的Twisted抽象概念时,始终要记住它做什么和不做什么。特别是,如果一个早期的抽象A实现了F特性,那么F特性不太可能再由其它任何抽象来实现。另外,如果另外一个抽象需要F特性,那么它会使用A而不是自己再去实现F。(通常的做法,B可能会通过继承A或获得一个指向A实例的引用)
网络非常的复杂,因此Twisted包含很多抽象的概念。通过从低层的抽象讲起,我们希望能更清楚起看到在一个Twisted程序中各个部分是怎么组织起来的。
核心的循环体

第一个我们要学习的抽象,也是Twisted中最重要的,就是reactor。在每个通过Twisted搭建起来的程序中心处,不管你这个程序有多少层,总会有一个reactor循环在不停止地驱动程序的运行。再也没有比reactor提供更加基础的支持了。实际上,Twisted的其它部分(即除了reactor循环体)可以这样理解:它们都是来辅助X来更好地使用reactor,这里的X可以是提供Web网页、处理一个金沙国际官网查询请求或其它更加具体的内容。尽管坚持像上一个客户端一样使用低层APIs是可能的,但如果我们执意那样做,那么我们必需自己来实现非常多的内容。而在更高的层次上,意味着我们可以少写很多代码。
但是当在外层思考与处理问题时, 很容易就忘记了reactor的存在了。在任何一个常见大小的Twisted程序中 ,确实很少会有直接与reactor的APIs交互。低层的抽象也是一样(即我们很少会直接与其交互)。我们在上一个客户端中用到的文件描述符抽象,就被更高层的抽象更好的归纳以至于我们很少会在真正的Twisted程序中遇到。(他们在内部依然在被使用,只是我们看不到而已)
至于文件描述符抽象的消息,这并不是一个问题。让Twisted掌舵异步I/O处理,这样我们就可以更加关注我们实际要解决的问题。但对于reactor不一样,它永远都不会消失。当你选择使用Twisted,也就意味着你选择使用Reactor模式,并且意味着你需要使用回调与多任务合作的"交互式"编程方式。

Transports
Transports抽象是通过Twisted中interfaces模块中ITransport接口定义的。一个Twisted的Transport代表一个可以收发字节的单条连接。对于我们的诗歌下载客户端而言,就是对一条TCP连接的抽象。但是Twisted也支持诸如Unix中管道和UDP。Transport抽象可以代表任何这样的连接并为其代表的连接处理具体的异步I/O操作细节。
如果你浏览一下ITransport中的方法,可能找不到任何接收数据的方法。这是因为Transports总是在低层完成从连接中异步读取数据的许多细节工作,然后通过回调将数据发给我们。相似的原理,Transport对象的写相关的方法为避免阻塞也不会选择立即写我们要发送的数据。告诉一个Transport要发送数据,只是意味着:尽快将这些数据发送出去,别产生阻塞就行。当然,数据会按照我们提交的顺序发送。
通常我们不会自己实现一个Transport。我们会去使用Twisted提供的实现类,即在传递给reactor时会为我们创建一个对象实例。

Protocols
Twisted的Protocols抽象由interfaces模块中的IProtocol定义。也许你已经想到,Protocol对象实现协议内容。也就是说,一个具体的Twisted的Protocol的实现应该对应一个具体网络协议的实现,像FTP、IMAP或其它我们自己制定的协议。我们的诗歌下载协议,正如它表现的那样,就是在连接建立后将所有的诗歌内容全部发送出去并且在发送完毕后关闭连接。
严格意义上讲,每一个Twisted的Protocols类实例都为一个具体的连接提供协议解析。因此我们的程序每建立一条连接(对于服务方就是每接受一条连接),都需要一个协议实例。这就意味着,Protocol实例是存储协议状态与间断性(由于我们是通过异步I/O方式以任意大小来接收数据的)接收并累积数据的地方。
因此,Protocol实例如何得知它为哪条连接服务呢?如果你阅读IProtocol定义会发现一个makeConnection函数。这是一个回调函数,Twisted会在调用它时传递给其一个也是仅有的一个参数,即Transport实例。这个Transport实例就代表Protocol将要使用的连接。
Twisted内置了很多实现了通用协议的Protocol。你可以在twisted.protocols.basic中找到一些稍微简单点的。在你尝试写新Protocol时,最好是看看Twisted源码是不是已经有现成的存在。如果没有,那实现一个自己的协议是非常好的,正如我们为诗歌下载客户端做的那样。

Protocol Factories
因此每个连接需要一个自己的Protocol,而且这个Protocol是我们自己定义的类的实例。由于我们会将创建连接的工作交给Twisted来完成,Twisted需要一种方式来为一个新的连接创建一个合适的协议。创建协议就是Protocol Factories的工作了。
也许你已经猜到了,Protocol Factory的API由IProtocolFactory来定义,同样在interfaces模块中。Protocol Factory就是Factory模式的一个具体实现。buildProtocol方法在每次被调用时返回一个新Protocol实例,它就是Twisted用来为新连接创建新Protocol实例的方法。

诗歌下载客户端2.0:第一滴心血
好吧,让我们来看看由Twisted支持的诗歌下载客户端2.0。源码可以在这里twisted-client-2/get-poetry.py。你可以像前面一样运行它,并得到相同的输出。这也是最后一个在接收到数据时打印其任务的客户端版本了。到现在为止,对于所有Twisted程序都是交替执行任务并处理相对较少数量数据的,应该很清晰了。我们依然通过print函数来展示在关键时刻在进行什么内容,但将来客户端不会在这样繁锁。
在第二个版本中,sockets不会再出现了。我们甚至不需要引入socket模块也不用引用socket对象和文件描述符。取而代之的是,我们告诉reactor来创建到诗歌服务器的连接,代码如下面所示:

factory = PoetryClientFactory(len(addresses))
from twisted.internet import reactor
for address in addresses:
  host, port = address
  reactor.connectTCP(host, port, factory)

我们需要关注的是connectTCP这个函数。前两个参数的含义很明显,不解释了。第三个参数是我们自定义的PoetryClientFactory类的实例对象。这是一个专门针对诗歌下载客户端的Protocol Factory,将它传递给reactor可以让Twisted为我们创建一个PoetryProtocol实例。
值得注意的是,从一开始我们既没有实现Factory也没有去实现Protocol,不像在前面那个客户端中我们去实例化我们PoetrySocket类。我们只是继承了Twisted在twisted.internet.protocol 中提供的基类。Factory的基类是twisted.internet.protocol.Factory,但我们使用客户端专用(即不像服务器端那样监听一个连接,而是主动创建一个连接)的ClientFactory子类来继承。
我们同样利用了Twisted的Factory已经实现了buildProtocol方法这一优势来为我们所用。我们要在子类中调用基类中的实现:

def buildProtocol(self, address):
  proto = ClientFactory.buildProtocol(self, address)
  proto.task_num = self.task_num
  self.task_num += 1
  return proto

基类怎么会知道我们要创建什么样的Protocol呢?注意,我们的PoetryClientFactory中有一个protocol类变量:

class PoetryClientFactory(ClientFactory):
  task_num = 1
  protocol = PoetryProtocol # tell base class what proto to build

基类Factory实现buildProtocol的过程是:安装(创建一个实例)我们设置在protocol变量上的Protocol类与在这个实例(此处即PoetryProtocol的实例)的factory属性上设置一个产生它的Factory的引用(此处即实例化PoetryProtocol的PoetryClientFactory)。这个过程如图

2016525105113566.png (482×358)

正如我们提到的那样,位于Protocol对象内的factory属性字段允许在都由同一个factory产生的Protocol之间共享数据。由于Factories都是由用户代码来创建的(即在用户的控制中),因此这个属性也可以实现Protocol对象将数据传递回一开始初始化请求的代码中来,这将在第六部分看到。
值得注意的是,虽然在Protocol中有一个属性指向生成其的Protocol Factory,在Factory中也有一个变量指向一个Protocol类,但通常来说,一个Factory可以生成多个Protocol。
在Protocol创立的第二步便是通过makeConnection与一个Transport联系起来。我们无需自己来实现这个函数而使用Twisted提供的默认实现。默认情况是,makeConnection将Transport的一个引用赋给(Protocol的)transport属性,同时置(同样是Protocol的)connected属性为True

2016525105131490.png (491×428)

一旦初始化到这一步后,Protocol开始其真正的工作—将低层的数据流翻译成高层的协议规定格式的消息。处理接收到数据的主要方法是dataReceived,我们的客户端是这样实现的:

def dataReceived(self, data):
  self.poem += data
  msg = 'Task %d: got %d bytes of poetry from %s'
  print msg % (self.task_num, len(data), self.transport.getHost())

每次dateReceved被调用就意味着我们得到一个新字符串。由于与异步I/O交互,我们不知道能接收到多少数据,因此将接收到的数据缓存下来直到完成一个完整的协议规定格式的消息。在我们的例子中,诗歌只有在连接关闭时才下载完毕,因此我们只是不断地将接收到的数据添加到我们的.poem属性字段中。
注意我们使用了Transport的getHost方法来取得数据来自的服务器信息。我们这样做只是与前面的客户端保持一致。相反,我们的代码没有必要这样做,因为我们没有向服务器发送任何消息,也就没有必要知道服务器的信息了。
我们来看一下dataReceved运行时的快照。在2.0版本相同的目录下有一个twisted-client-2/get-poetry-stack.py。它与2.0版本的不同之处只在于:

def dataReceived(self, data):
  traceback.print_stack()
  os._exit(0)

这样一改,我们就能打印出跟踪堆栈的信息,然后离开程序,可以用下面的命令来运行它:
python twisted-client-2/get-poetry-stack.py 10000
你会得到内容如下的跟踪堆栈:

File "twisted-client-2/get-poetry-stack.py", line 125, in
  poetry_main()
... # I removed a bunch of lines here
File ".../twisted/internet/tcp.py", line 463, in doRead # Note the doRead callback
  return self.protocol.dataReceived(data)
File "twisted-client-2/get-poetry-stack.py", line 58, in dataReceived
  traceback.print_stack()

看见没,有我们在1.0版本客户端的doRead回调函数。我们前面也提到过,Twisted在建立新抽象层会使用已有的实现而不是另起炉灶。因此必然会有一个IReadDescriptor的实例在辛苦的工作,它是由Twisted代码而非我们自己的代码来实现。如果你表示怀疑,那么就看看twisted.internet.tcp中的实现吧。如果你浏览代码会发现,由同一个类实现了IWriteDescriptor与ITransport。因此 IReadDescriptor实际上就是变相的Transport类。可以用图10来形象地说明dateReceived的回调过程:

2016525105224905.png (339×335)

一旦诗歌下载完成,PoetryProtocol就会通知它的PooetryClientFactory:

def connectionLost(self, reason):   
 self.poemReceived(self.poem) 
def poemReceived(self, poem):  
 self.factory.poem_finished(self.task_num, poem)

当transport的连接关闭时,conncetionLost回调会被激活。reason参数是一个twisted.python.failure.Failure的实例对象,其携带的信息能够说明连接是被安全的关闭还是由于出错被关闭的。我们的客户端因认为总是能完整地下载完诗歌而忽略了这一参数。
工厂会在所有的诗歌都下载完毕后关闭reactor。再次重申:我们代码的工作就是用来下载诗歌-这意味我们的PoetryClientFactory缺少复用性。我们将在下一部分修正这一缺陷。值得注意的是,poem_finish回调函数是如何通过跟踪剩余诗歌数的:

  ...
  self.poetry_count -= 1
  if self.poetry_count == 0:
  ...

如果我们采用多线程以让每个线程分别下载诗歌,这样我们就必须使用一把锁来管理这段代码以免多个线程在同一时间调用poem_finish。但是在交互式体系下就不必担心了。由于reactor只能一次启用一个回调。
新的客户端实现在处理错误上也比先前的优雅的多,下面是PoetryClientFactory处理错误连接的回调实现代码:

def clientConnectionFailed(self, connector, reason):
  print 'Failed to connect to:', connector.getDestination()
  self.poem_finished()

注意,回调是在工厂内部而不是协议内部实现。由于协议是在连接建立后才创建的,而工厂能够在连接未能成功建立时捕获消息。

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